一种燃料电池及其控制方法和控制系统与流程

本发明涉及燃料电池，尤其涉及一种燃料电池及其控制方法和控制系统。

背景技术：

1、氢能作为能源的质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell，pemfc)由于其效率高、零排放以及工作温度低等优势成为最有潜力的能量转换装置，其工作原理是氢气和氧气在催化剂作用下发生氧化还原反应产生电流和热量，氢气在阳极催化剂作用下分离成氢质子，并通过质子交换膜传输到阴极与氧气发生反应生成水。

2、燃料电池的反应单元由双极板和膜电极构成，其中，氢气通过氢气腔入口流经双极板上的氢气流场从氢气腔出口流出，空气通过空气腔入口流经双极板上的空气流场从空气腔出口流出，为平衡水热管理及反应气体湿度，双极板进出口的位置设计为氢气和空气异侧出入，冷却液与空气同侧出入，如图1所示。空气腔入口低湿度区位于低温侧，反应生成的水通过氢气腔出口扩散，对空气腔入口的空气进行增湿，空气流动带动空气腔出口区具有较高的湿度，对应氢气腔入口的低湿度区，这样整体上有利于燃料电池内部水含量的均匀分布。

3、然而，氢气腔入口与空气腔出口位于同侧，且氢气腔入口的压力一般超过空气腔入口压力20kpa左右，在某些工况下氢气腔入口压力与空气腔入口的压力差值会更大，同时，空气流场压降一般在20-40kpa，导致距离较近的氢气腔入口压力与空气腔出口压力相差更大，容易导致膜电极机械损伤。

4、因此，如何解决局部压差过大，导致膜电极易损坏的问题成为当前亟待解决的问题。

技术实现思路

1、本发明提供了一种燃料电池及其控制方法和控制系统，以解决局部压差过大，导致膜电极易损坏的问题。

2、根据本发明的一方面，提供了一种燃料电池，包括：第一压板、第二压板、第一端板、第二端板和电堆；

3、所述第一压板和所述第二压板位于所述电堆的相对两侧；所述第一端板位于所述第一压板和所述电堆之间；所述第二端板位于所述第二压板和所述电堆之间；

4、所述第一端板包括远离所述电堆的第一表面，所述第一表面包括第一凹槽、以及位于所述第一凹槽相对两侧的第一凸台和第二凸台；所述第一压板位于所述第一凹槽；所述第一凸台包括氢气入口歧管、空气出口歧管；所述第二凸台包括空气入口歧管和氢气出口歧管；

5、其中，所述氢气入口歧管的管口设置有第一流量控制阀和第一压力传感器；所述空气出口歧管的管口设置有第二流量控制阀和第二压力传感器；所述空气入口歧管的管口设置有第三流量控制阀和第三压力传感器；所述氢气出口歧管的管口设置有第四流量控制阀和第四压力传感器。

6、可选的，所述第一凸台还包括冷却液出口歧管；所述第二凸台还包括冷却液入口歧管；

7、所述冷却液出口歧管的管口设置有第五流量控制阀和第五压力传感器；所述冷却液入口歧管的管口设置有第六流量控制阀和第六压力传感器。

8、可选的，还包括：至少一个第一弹簧和至少一个第二弹簧；

9、所述第一弹簧位于所述第一压板和所述第一端板之间；所述第二弹簧位于所述第二压板和所述第二端板之间。

10、根据本发明的另一方面，提供了一种燃料电池的控制方法，用于控制上述的燃料电池；

11、所述控制方法包括：

12、获取所述氢气入口歧管的氢气压力，为第一压力；以及获取所述空气出口歧管的空气压力，为第二压力；

13、根据所述第一压力和所述第二压力，计算所述第一压力与所述第二压力的第一压力差；

14、判断所述第一压力差的绝对值是否大于或等于所述第一压差阈值；

15、若是，则改变所述空气出口歧管的空气压力，和/或，改变所述空气入口歧管的空气压力，以使所述第一压力差的绝对值小于所述第一压差阈值。

16、可选的，所述燃料电池还包括空压机；所述空压机用于压缩流经所述第三流量控制阀和所述空气入口歧管的空气；

17、改变所述空气出口歧管的空气压力，包括：

18、根据所述第一压力差，确定所述空气出口歧管处的所述第二流量控制阀的第二调节量；

19、根据所述第二调节量，调节所述空气出口歧管处的所述第二流量控制阀；

20、改变所述空气入口歧管的空气压力，包括：

21、根据所述第一压力差，确定所述空压机的压缩调节量；

22、根据所述压缩调节量，调节所述空压机。

23、可选的，所述控制方法还包括：

24、获取所述空气入口歧管的空气压力，为第三压力；以及获取所述氢气出口歧管的氢气压力，为第四压力；

25、根据所述第三压力和所述第四压力，计算所述第三压力和所述第四压力的第二压力差；

26、判断所述第二压力差的绝对值是否大于或等于所述第一压差阈值；

27、若是，则改变所述氢气出口歧管的氢气压力，和/或，改变所述氢气入口歧管的氢气压力，以使所述第二压力差的绝对值小于所述第一压差阈值。

28、可选的，所述燃料电池还包括氢引射器；所述氢引射器用于控制流经所述第一流量控制阀和所述氢气入口歧管的氢气的压力；

29、改变所述氢气出口歧管的氢气压力，包括：

30、根据所述第二压力差，确定所述氢气出口歧管处的所述第四流量控制阀的第四调节量；

31、根据所述第四调节量，调节所述氢气出口歧管处的所述第四流量控制阀；

32、改变所述氢气入口歧管的氢气压力，包括：

33、根据所述第二压力差，确定所述氢引射器的引射调节量；

34、根据所述引射调节量，调节所述氢引射器。

35、可选的，还包括：若所述第一压力差的绝对值和所述第二压力差的绝对值均小于所述第一压差阈值，则判断所述燃料电池是否处于停机状态；

36、若所述燃料电池处于停机状态，则控制所述第一流量控制阀、所述第二流量控制阀、所述第三流量控制阀和所述第四流量控制阀均完全关闭。

37、可选的，还包括：若所述燃料电池未处于停机状态，则控制所述第一流量控制阀、所述第二流量控制阀、所述第三流量控制阀和所述第四流量控制阀均完全打开。

38、根据本发明的又一方面，提供了一种燃料电池的控制系统，包括：控制器；

39、所述控制器分别与所述第一流量控制阀、所述第一压力传感器、所述第二流量控制阀、所述第二压力传感器、所述第三流量控制阀、所述第三压力传感器、所述第四流量控制阀和所述第四压力传感器电连接；

40、所述控制器用于控制上述的燃料电池，并执行上述的燃料电池的控制方法。

41、本发明的技术方案，通过在氢气入口歧管的管口设置有第一流量控制阀和第一压力传感器，以及在空气出口歧管的管口设置有第二流量控制阀和第二压力传感器，可以实时检测临近位置的氢气入口歧管和空气出口歧管的压力差，还可以调节氢气入口歧管和空气出口歧管的压力，及时控制氢气入口歧管和空气出口歧管的压力差，避免临近位置的氢气入口歧管和空气出口歧管的压力差过大，导致膜电极机械损伤；同时，空气入口歧管的管口设置有第三流量控制阀和第三压力传感器，氢气出口歧管的管口设置有第四流量控制阀和第四压力传感器，一方面，可避免临近位置的空气入口歧管和氢气出口歧管的压力差过大，导致膜电极机械损伤，另一方面，可以在燃料电池处于停机状态(例如运输过程中)时，可完全封闭电堆的气体进出口，使得电堆内形成封闭空间，避免电堆内部受到污染，可以提高电堆的稳定性；此外，第一流量控制阀、第二流量控制阀、第三流量控制阀和第四流量控制阀可以调节歧管出入口的截面积，进而可以调节电堆的功率，还可以适用不同功率级别的电堆，使得第一端板具有较高的适用性，还可以降低使用不同功率级别的电堆时受歧管直径限制而需要重新加工的成本。

42、应当理解，本部分所描述的内容并非旨在标识本发明的实施例的关键或重要特征，也不用于限制本发明的范围。本发明的其它特征将通过以下的说明书而变得容易理解。